JPH0914086A - ホール型燃料噴射ノズル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 黒煙およびＮＯｘをともに低減できる簡潔構
成のホール型燃料噴射ノズルを提供する。 【構成】 ピストン４に設けたキャビティ５の周壁に向
って開口する主噴口２とおよび該主噴口２に対応してキ
ャビティ５のエッジ部７に向って開口する副噴口３をノ
ズル１に設ける。隣接する２つの噴口で主噴口２を構成
するとともに、主噴口２と副噴口３をほぼ同径の噴口で
構成したことにより、初期噴射率の上昇をともなうこと
なく噴射期間が長期化されることを予防して黒煙および
ＮＯｘをともに低減できるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は燃料噴射ノズルに係り、
詳しくは、直接噴射式ディーゼルエンジンの排気中に含
まれる黒煙および窒素酸化物（以下、ＮＯｘという）を
効果的に低減できるようにしたホール型の燃料噴射ノズ
ルに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ディーゼルエンジンの排気中に含まれる
ＮＯｘを低減するためには、燃料の噴射時期を遅らせる
タイミングリタードを行ない、または、低スワール化し
て緩速燃焼を行なわせることが有効であるとされてい
る。しかしながら、タイミングリタードを行なうとエン
ジンの燃費および出力性能が低下し、低スワール化を行
なった場合は空気利用率が低下して黒煙の排出量が増大
する可能性がある。

【０００３】一方、ディーゼルエンジンに用いられる従
来のホール型の燃料噴射ノズルとしては、例えば実開昭
５７−１５８９７４号公報などに見られるようにコーン
角の異なる複数の噴口を交互に設けたもの、あるいは、
実開平２−５９２６０号公報に見られるように複数個の
噴口の総開口面積を当該噴口到達時点での流量係数に応
じて設定したものがある。

【０００４】しかしながら、自動車用ディーゼルエンジ
ンのように運転される回転・負荷域が広いエンジンにお
いては、燃料供給量の制御範囲が広い。従って、例えば
低負荷域のように燃料の供給量が少ない領域での初期噴
射率を低くしてＮＯｘの生成を抑制すべく噴口径を小さ
くすると、燃料の噴射量が多い高負荷域で噴射期間が必
要以上に長くなり過ぎてしまう。また、逆に高負荷域で
の噴射期間を適正化すべく噴口径を大きくすると、低負
荷域においても初期噴射率が高くなってしまうために着
火時点までの噴射量が多くなってＮＯｘが生成され易く
なるという不具合がある。

【０００５】なお、このような不具合を解消するために
は副室式ディーゼルエンジンに用いられるピントル型、
スロットル型あるいはピントークス型の燃料噴射ノズル
を用いることが考えられ、もしくは、二段開弁圧ノズル
とすることが有効である。ところが、前者の副室式ディ
ーゼルエンジン用のノズルを直噴式ディーゼルエンジン
に用いることは実質的に不可能であり、後者の二段開弁
圧ノズルは構成が複雑で高価であるという問題点があ
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記実情に鑑
みてなされたものであり、黒煙およびＮＯｘをともに低
減できる簡潔構成のホール型燃料噴射ノズルを提供する
ことを課題としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明は、ピストンに設けたキャビティの周壁に向っ
て開口する主噴口と、該主噴口に対応してキャビティの
エッジ部に向って開口する副噴口をノズルに設け、隣接
する２つの噴口で前記主噴口を構成するとともに、主噴
口と副噴口をほぼ同径の噴口で構成したことを特徴とし
ている。なお、主噴口のコーン角を副噴口のコーン角よ
り小さくすることが好ましい。

【０００８】

【作用】燃料噴射ポンプから吐出された燃料の圧力が上
昇すると、燃料噴射ノズルに設けたニードルがリフトさ
れて噴口から燃料が噴射される。また、主噴口をキャビ
ティの周壁に向って開口させるとともに、副噴口をキャ
ビティのエッジ部に向って開口させているために、副噴
口のコーン角は主噴口のコーン角よりも大きくなってお
り、副噴口の流路抵抗が主噴口の流路抵抗より大きくな
っている。

【０００９】すなわち、噴口の流路抵抗は口径を小さく
するにつれて大きくなり、口径が同一である場合はコー
ン角を大きくするにつれて流路抵抗が大きくなる。よっ
て、燃料噴射ポンプの送油率が低い領域では流路抵抗が
大きい副噴口からの噴射量は少なくなる。

【００１０】従って、低負荷域での運転のように送油率
が低いときは副噴口からの燃料の噴射が抑制されて主と
して主噴口から噴射が行なわれるために、噴口の有効開
口面積および有効数が実質的に小さくなって初期噴射率
が抑えられ、静粛な燃焼が行なわれて燃焼音が低減され
るとともに、ＮＯｘの生成が抑制される。

【００１１】ところが、高負荷域での運転のように噴射
量が増大した場合は、燃料噴射ポンプの送油率が高くな
り、これにともなって燃料の圧力も上昇する。すると、
流路抵抗が大きな副噴口からもある程度の量の燃料が噴
射されることになり、噴口の有効開口面積および有効数
が増大して噴射された燃料と空気との混合性が改善され
るために、黒煙の発生が抑制される。

【００１２】一方、主噴口をキャビティの周壁に向って
開口させて副噴口をキャビティのエッジ部に向って開口
させているために、主噴口から噴射された燃料噴霧は主
としてキャビティ内において空気と混合されるが、副噴
口からエッジ部に向って噴射された燃料噴霧の一部はピ
ストン頂面のスキッシュエリアに流出して空気と混合さ
れる。

【００１３】ところで、キャビティ内におけるスワール
はスキッシュエリアにおけるスワールよりも非常に強
い。従って、主噴口から噴射された燃料噴霧はキャビテ
ィ内に誘起された強いスワールで押し流されつつ急速に
拡散して空気と充分に攪拌されるが、副噴口から噴射さ
れてスキッシュエリアに到達した燃料噴霧は、このスキ
ッシュエリアに生じている弱いスワールによる押し流し
作用を受けつつ緩速で拡散する。

【００１４】また、燃料の拡散速度はスワールの強さに
応答して変化するものであり、主として主噴口から噴射
された燃料が供給されるキャビティ内と副噴口から噴射
された燃料の一部が供給されるスキッシュエリアのスワ
ール強度の相違により、主噴口から噴射された燃料噴霧
の単位時間あたりの拡散角度が大きく、副噴口から噴射
された燃料噴霧の単位時間あたりの拡散角度が小さい。

【００１５】従って、副噴口から噴射された燃料噴霧の
前方には常に新気が存在し、この新気を取り込みつつ燃
焼が進行し、しかも、副噴口から噴射された燃料噴霧の
一部はキャビティに流入する激しい空気の流れによる撹
拌作用を受けつつスキッシュエリアに到達して空気と混
合されるために、空気利用率が高くなって黒煙の抑制効
果が高くなる。さらに、主噴口から噴射された燃料およ
び副噴口から噴射された燃料の一部は相互に若干の干渉
を持ちながら強いスワールによる押し流し拡散作用を受
けてキャビティ内で燃焼されるために、黒煙の生成が抑
制される。

【００１６】そして、このような混合気の分布状態はピ
ストンが下って逆スキッシュによりキャビティからスキ
ッシュエリアに大量の混合気が流出した状態においても
維持されるために、空気の利用率が高くなって黒煙の発
生が予防される。

【００１７】なお、主噴口のコーン角を副噴口のコーン
角より小さくしているために、主噴口の流路抵抗が副噴
口の流路抵抗よりも小さくなる。従って、低負荷域での
運転時のように送油率が低い領域での運転時は副噴口か
らの噴射量が充分に少なくなって初期噴射率が充分に低
くなるために、静粛な燃焼が行なわれて燃焼音が低減さ
れるとともに、ＮＯｘ生成の抑制効果が高くなる。

【００１８】

【実施例】以下に本発明の実施例を図に基づいて詳細に
説明する。図１は本発明に係るホール型燃料噴射ノズル
の一実施例を示すノズル先端側から見た正面図、図２は
図１のＡ−Ａ断面図であり、放射方向に向って開口する
６個の噴口をノズル１の先端に設けている。噴口は２つ
の噴口を隣接させて構成した主噴口２と１つの副噴口３
の組合せで構成されている。

【００１９】また、主副の噴口２、３をほぼ同径の噴口
で構成することにより、副噴口３の総開口面積を主噴口
２の総開口面積の３５％〜６５％に設定している。そし
て、副噴口３のコーン角αを主噴口２のコーン角β、γ
より大きくすることにより、主噴口２をピストン４に設
けたキャビティ５の周壁６に向って開口させるととも
に、副噴口３をキャビティ５のエッジ部７に向って開口
させている（なお、図２においては副噴口３のコーン角
αおよび主噴口２のコーン角β、γの２分の１に相当す
るα／２、β／２、γ／２を示している）。

【００２０】また、主噴口２と副噴口３をほぼ等間隔に
位置させるとともに、各２個の主噴口２を同一位相位置
において近接配置することにより、各主噴口２から噴射
された燃料噴霧がキャビティ５内の半径方向にほぼ均等
に分散供給されるようにしている。なお、ノズル１の内
部には従来のホール型燃料噴射ノズルの場合と同様に図
示しないニードルなどを設けており、図示しない燃料噴
射ポンプから供給された燃料の圧力が上昇すると、ニー
ドルがリフトされて噴口２、３を経て燃料が噴射される
ようにしている。

【００２１】以上のような構成になる燃料噴射ノズルに
おいて、図示しない燃料噴射ポンプから吐出された燃料
の圧力が上昇すると、ノズル１に設けているニードル
（図示省略）がリフトされて主副の噴口２、３から燃料
が噴射される。また、このときにおける噴射量は、各噴
口２、３の開口位置による流量係数およびコーン角によ
る流路抵抗に依存して変化するものであり、ノズル１の
先端からほぼ等位置に設けた主副の噴口２、３の流量係
数はほぼ等しくなっているものの、副噴口３の流路抵抗
はコーン角が小さい主噴口２の流路抵抗よりも大きくな
っている。

【００２２】従って、燃料噴射ポンプの送油率が低い領
域では流路抵抗が大きい副噴口３からの噴射量が少なく
なり、流路抵抗が小さい主噴口２から主として燃料が噴
射される。このために、低負荷域での運転のように噴射
量が少ないときは噴口の有効数および有効開口面積が実
質的に少なくなるために初期噴射率が抑えられ、静粛な
燃焼が行なわれて燃焼音が低減されるとともに、ＮＯｘ
の生成が抑制される。

【００２３】なお、主噴口２をキャビティ５の周壁６に
向って開口させている。よって、主噴口２から噴射され
た燃料噴霧はキャビティ５に誘起される強いスワールに
よる押し流し作用を受けて拡散されつつ燃焼し、燃焼が
進行した段階で逆スキッシュによりスキッシュエリアに
流出して新気の供給を受けつつさらに燃焼が継続される
ために、効率の高い燃焼が行なわれる。

【００２４】一方、高負荷域での運転時のように噴射量
が増大した場合は、燃料噴射ポンプの送油率が高くな
り、燃料の供給圧力が上昇する。すると、流路抵抗が大
きい副噴口３からもかなりの量の燃料が噴射されるため
に、噴口の有効数および有効開口面積が増加することに
なる、このために、低負荷域での初期噴射率を低くでき
るにも拘らず高負荷域での噴射期間が必要以上に長くな
ることがなく、噴射された燃料と空気との混合性が改善
されて黒煙の発生が抑制される。

【００２５】ところで、副噴口３からエッジ部７に向っ
て噴射された燃料噴霧の一部は、キャビティ５に流入す
る強い空気の流れによる拡散作用を受けつつスキッシュ
エリアに到達してスワールによる緩やかな押し流しと拡
散作用を受けて空気と混合される。また、スキッシュエ
リアのスワールはキャビティ５のスワールよりも弱いた
めに、スキッシュエリアに存在する燃料噴霧の前方には
常に新気が存在する。そして、この新気を取り込みつつ
燃焼が進行するために、黒煙の発生が効果的に抑制され
る。

【００２６】また、主噴口２から噴射された燃料および
副噴口３から噴射されてキャビティ５内に供給された燃
料は、相互に若干の干渉を持ちながら強いスワールによ
る押し流し拡散作用を受けて燃焼される。そして、この
ような混合気の分布状態はピストン４がさらに下って逆
スキッシュによりキャビティ５からスキッシュエリアに
大量の混合気が流出した状態においても維持されるため
に、空気の利用率が高くなって黒煙の発生が予防され
る。

【００２７】また、本発明においては２個の主噴口２に
対して１個の副噴口３を設けることにより、副噴口３の
総開口面積を主噴口２の総開口面積の３５％〜６５％に
設定しているために、黒煙およびＮＯｘをともに効果的
に抑制することができる。すなわち、図３は噴射ノズル
全体としての噴口の総開口面積および噴射タイミングを
一定にして主噴口２の総開口面積に対する副噴口３の総
開口面積の割合を変化させた場合におけるＮＯｘおよび
黒煙の排出特性を示している。

【００２８】この図３からも明らかなように、副噴口３
の総開口面積を主噴口２の総開口面積の３５％より小さ
くした場合は、主噴口２の総開口面積が相対的に増大し
て低負荷域における初期噴射率が高くなるとともに燃料
噴霧の微粒化性能が低下するためにＮＯｘおよび黒煙の
生成量が増大する。

【００２９】一方、副噴口３の総開口面積を主噴口２の
総開口面積の６５％より大きくした場合は、黒煙の発生
を抑制する点では好ましい。しかしながら、この場合は
低負荷域における副噴口３からの噴射量が増加して初期
噴射率が高くなるために、ＮＯｘの生成が多くなってし
まう。従って、エンジンの要求性能によっても相違する
が、副噴口３の総開口面積を主噴口２の総開口面積の３
５％〜６５％に設定することで黒煙およびＮＯｘの生成
をともに効果的に抑制することができる。

【００３０】さらに、主噴口の数と副噴口の数を同数に
して副噴口の総開口面積を主噴口の総開口面積の３５％
〜６５％にすることもできるが、この場合は主噴口の口
径が大きくなり過ぎて燃料噴霧の微粒化性能が低下する
懸念がある。また、３個以上の小径の主噴口と１個の副
噴口を組み合わせて副噴口の総開口面積を主噴口の総開
口面積の３５％〜６５％にすることもできるが、この場
合は主噴口の流路抵抗が大きくなって低負荷域での運転
時における副噴口からの噴射量が増大するために初期噴
射率が必要以上に高くなるとともに、実質的には噴口数
が多くなり過ぎてＮＯｘが増加する懸念がある。

【００３１】なお、図１および図２に示した実施例では
副噴口３に対応する２個の主噴口２を同一位相において
軸方向にずらせてノズル先端からの距離を異ならせるこ
とによって２個の主噴口の流量係数を異ならせるととも
に、キャビティ５内での燃料噴霧の半径方向への広がり
を大きくしているが、図４に示した実施例のように位相
を異ならせて２個の主噴口２を隣接配設した場合は、２
個の主噴口２の流量係数が等しくなるとともに、円周方
向への燃料噴霧の広がりが改善されるものであり、図５
に示した実施例のように２個の主噴口２を円周方向およ
び軸方向にずらせてキャビティ５内での燃料噴霧の分布
を半径方向および円周方向に拡大させることもできる。

【００３２】さらに、図示はしないがキャビティ５の底
壁の中央部に向って開口する補助噴口を設け、この補助
噴口の開口面積を副噴口２の開口面積の５０％〜８０％
に設定することにより、キャビティの中心付近の空気を
より有効に利用することもできる。このようにキャビテ
ィ５の底壁中央部に向って開口する補助噴口を設けた場
合は、噴射量がきわめて多い高負荷域においては補助噴
口からも燃料を噴射してキャビティ５の中央部に燃料を
直接に供給できる。

【００３３】このために、従来は必ずしも有効利用され
ていなかったキャビティ５の中央部の空気をも燃焼に供
することができ、しかも、噴射量が増加するにつれて噴
口の有効開口面積が増大する。よって、初期噴射率の増
加をともなうことなく噴射期間をより短縮できるため
に、ディーゼルエンジンから排出されるＮＯｘおよび黒
煙を充分に少なくして燃焼効率をより改善することがで
きる。

【００３４】上記実施例ではいずれも合計６個の噴口を
設けているが、２個の主噴口２について該主噴口２とほ
ぼ同径に構成された１個の副噴口３を組み合わせた３の
整数倍個の噴口を設けたものであればよい。また、実施
例では主噴口２の大きさと副噴口３の大きさを全く同一
にしているが、噴口の大きさは必ずしも全く同一である
必要はなく、燃料の噴射特性およびスワール比に応じて
主副の噴口２、３の大きさ、コーン角および形成位置を
変更し、あるいは、本発明を二段開弁圧ノズルの噴口に
適用してＮＯｘの低減効果をより改善することもでき
る。

【００３５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明に
係るホール型燃料噴射ノズルにおいては、初期噴射率の
増加をともなうことなく噴射期間を短縮することができ
る。また、燃料噴射ポンプの送油率が低い領域では主と
してキャビティ内に燃料を供給して効率の高い燃焼を行
なわせつつ、送油率が大きい領域ではスキッシュ域にも
燃料を供給して空気を有効利用できるようにしているた
めに、ディーゼルエンジンから排出されるＮＯｘおよび
黒煙をより効果的に抑制できるとともに、例えば二段開
弁圧ノズルに比較してノズルの構成を簡略化できるな
ど、燃料噴射ノズルを安価に提供することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る燃料噴射ノズルの一実施例をノズ
ルの先端側から見た正面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。

【図３】主噴口と副噴口の総開口面積比によるＮＯｘお
よび黒煙の排出特性を示す図である。

【図４】本発明に係るホール型燃料噴射ノズルの他の実
施例をノズルの先端側から見た正面図である。

【図５】本発明に係るホール型燃料噴射ノズルの別の実
施例をノズルの先端側から見た正面図である。

【符号の説明】

１ ノズル ２ 主噴口 ３ 副噴口 ４ ピストン ５ キャビティ ６ 周壁 ７ エッジ部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ピストンに設けたキャビティの周壁に向
   って開口する主噴口と、該主噴口に対応してキャビティ
   のエッジ部に向って開口する副噴口をノズルに設け、隣
   接する２つの噴口で前記主噴口を構成するとともに、主
   噴口と副噴口をほぼ同径の噴口で構成したことを特徴と
   するホール型燃料噴射ノズル。
2. 【請求項２】 主噴口のコーン角を副噴口のコーン角よ
   り小さくしたことを特徴とする請求項１に記載のホール
   型燃料噴射ノズル。